微處理器技術(shù)離我們并不遙遠(yuǎn)

李忠東

美國(guó)著名小型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)大師戈登·貝爾對(duì)于小型機(jī)所使用的微處理器技術(shù)的發(fā)展曾作出如下預(yù)測(cè)：“在保持計(jì)算機(jī)能力不變的情況下，每18個(gè)月微處理器的價(jià)格和體積將減少一半?！边@是對(duì)“摩爾定律”的補(bǔ)充，被稱(chēng)為“貝爾定律”?！澳柖伞庇捎⑻貭杽?chuàng)始人之一的戈登·摩爾提出，具體內(nèi)容為：“當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18～24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。”這就意味著，同等價(jià)位的微處理器的速度會(huì)越變?cè)娇?，而同等速度的微處理器則會(huì)越來(lái)越便宜。

回顧計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，計(jì)算機(jī)的小型化大約每10年會(huì)有一個(gè)新的突破。20世紀(jì)60年代，一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要占據(jù)整個(gè)房間;20世紀(jì)70年代，計(jì)算機(jī)引入了小型工作站設(shè)計(jì)，并繼續(xù)縮小尺寸，演變?yōu)槿藗兠刻焓褂玫谋銛y式計(jì)算機(jī)。到今天，智能手機(jī)和各類(lèi)傳感器的發(fā)展對(duì)微處理器的尺寸提出了更高的要求。事實(shí)上，微處理器的尺寸在2013年已縮小到1立方毫米，它通過(guò)將灰塵大小的芯片（包括中央處理單元、存儲(chǔ)器、電源管理電路和定時(shí)器）堆疊成一個(gè)矩形。最終，用戶(hù)可以通過(guò)添加應(yīng)用層（例如溫度傳感器）來(lái)創(chuàng)建傳感器系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，有兩種途徑為運(yùn)行微型亞毫米級(jí)計(jì)算機(jī)提供電力：開(kāi)發(fā)微型電池和尋找某種自發(fā)電方式。其中，自發(fā)電方式，例如微型熱電發(fā)電機(jī)可以將熱能轉(zhuǎn)化為電能，但輸出功率太低，無(wú)法驅(qū)動(dòng)微型芯片。再如，機(jī)械振動(dòng)發(fā)電電池和將光能轉(zhuǎn)化為電能的小型光伏電池很有前景，不過(guò)振動(dòng)和光線并非在所有時(shí)間和地方都能獲得，例如在人體內(nèi)這兩類(lèi)供電模式就無(wú)法使用。由此可見(jiàn)，只能依賴(lài)強(qiáng)大的微型電池來(lái)提供電能。

與日常電池截然不同，具有高能量密度的緊湊型電池是用濕的化學(xué)材料制造的，電材料和添加劑（碳材料、黏合劑）被加工成漿料并涂在金屬箔上。目前，世界上最小的計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以縮小到1立方毫米以?xún)?nèi)，而采用堆疊式、電極柱工藝生產(chǎn)的片上微電池雖然可以提供良好的能量和功率密度，但體積相對(duì)而言仍比較大，無(wú)法滿(mǎn)足其需求。

德國(guó)萊布尼茨固態(tài)與材料研究所和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的科學(xué)家另辟蹊徑，研制出迄今世界上可以反復(fù)充電的最小的微電池的原型。它僅為1.10毫米×1.69毫米×0.15毫米，尺寸比一粒鹽還小，能夠?yàn)槠袷澜缟献钚〉挠?jì)算機(jī)供電。目前，這個(gè)國(guó)際研發(fā)團(tuán)隊(duì)已取得兩方面的重大突破：一是采用類(lèi)似“瑞士卷”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以此提高電池能量的密度;二是能在世界上最小的1平方毫米的計(jì)算機(jī)芯片上與其他電路集成，供電約10小時(shí)。

團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種明顯小于1平方毫米且可集成在芯片上的電池，其最小能量密度仍為100微瓦時(shí)/平方厘米。為了在有限的空間里安裝更多的電池材料，他們采用特斯拉在大規(guī)模制造電動(dòng)汽車(chē)電池時(shí)的類(lèi)似工藝。此前，特斯拉電池使用這種工藝，使“4680型無(wú)極耳電池”在能量方面提升5倍，續(xù)航里程增加16%，動(dòng)力方面提高6倍。

這一開(kāi)創(chuàng)性的儲(chǔ)能解決方案，靈感來(lái)自“瑞士卷”。研發(fā)人員將聚合物、金屬以及電介質(zhì)材料制成的電流收集器和電極條，分層逐一涂抹在一個(gè)鋪開(kāi)的晶圓表面上，形成與瑞士卷相同的結(jié)構(gòu)，從而創(chuàng)造出一種“自纏繞圓柱微電池”。

該國(guó)際研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制的微型電池顯示出令人驚嘆的亞平方毫米級(jí)儲(chǔ)能性能，成為微型機(jī)器人或微型植入設(shè)備非常好的補(bǔ)充電源，有望在物聯(lián)網(wǎng)、微型醫(yī)療植入物等領(lǐng)域大顯身手。不過(guò)，卷繞式工藝在量產(chǎn)上存在一定困難，因?yàn)橐丫牧暇砬饋?lái)，對(duì)材料的韌性和延展性要求會(huì)更高。這項(xiàng)技術(shù)仍有巨大的優(yōu)化潛力。

除了上述可以反復(fù)充電的最小微電池外，另一個(gè)國(guó)際研發(fā)團(tuán)隊(duì)還研制出迄今世界上最小的納米生物超級(jí)電容器，可以在人體內(nèi)難以到達(dá)的小空間中運(yùn)行，為下一代血管內(nèi)植入物和生物醫(yī)學(xué)微型機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造了可能。這項(xiàng)技術(shù)擁有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景，包括疾病診斷、藥物遞送等，甚至能幫助人們發(fā)現(xiàn)早期癌癥。

納米生物超級(jí)電容器的研究和樣品制備主要在德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心進(jìn)行，該項(xiàng)研究的參與機(jī)構(gòu)還有德國(guó)萊布尼茨聚合物研究所。研究人員利用“微型折紙”技術(shù)，將組件所需的材料放置在高機(jī)械張力下的超薄材料表面。該材料層能自身纏繞成具有高精度和高成材率（95%）的緊湊型 3D 設(shè)備。

近年來(lái)，微電子傳感器、微電子機(jī)器人或血管內(nèi)植入物的發(fā)展日益小型化。此前已有的亞毫米范圍內(nèi)的能量存儲(chǔ)設(shè)備，即所謂的“微型超級(jí)電容器”，通常情況下不會(huì)使用生物相容性材料，而是采用腐蝕性電解質(zhì)，且放電不穩(wěn)定，它們不適合人體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)微型、高效且具有生物相容性的能量存儲(chǔ)設(shè)備，用來(lái)驅(qū)動(dòng)微型系統(tǒng)在人體內(nèi)的可靠運(yùn)行，成為該研究領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)之一。

這個(gè)國(guó)際研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的首個(gè)納米生物超級(jí)電容器是一種生物相容性?xún)?chǔ)能系統(tǒng)。雖然它的體積僅0.001立方毫米，只有此前最小能源存儲(chǔ)設(shè)備的1/3000，占用的空間比一?；覊m還小，但是仍然能夠?yàn)檠褐械奈㈦娮觽鞲衅魈峁└哌_(dá)1.6V的電源電壓，功率水平大致相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn) AAA 電池。它的柔性管狀結(jié)構(gòu)還提供了有效的自我保護(hù)，能防止由脈動(dòng)血液或肌肉收縮引起的破損。在像血管這樣的窄小區(qū)域內(nèi)，這是一個(gè)必不可少的條件，因?yàn)橹挥邪踩煽坎啪哂袑?shí)用的價(jià)值。

研究人員在鹽水、血漿和血液三種溶液中對(duì)納米生物超級(jí)電容器進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果非常令人滿(mǎn)意。它在血液中 16小時(shí)后仍能保持其初始容量的70%。該電容器還能通過(guò)生物電化學(xué)反應(yīng)補(bǔ)償損失的電量。在這個(gè)過(guò)程中，它受益于人體，除了典型的電荷存儲(chǔ)反應(yīng)外，氧化還原酶和血液中天然存在的活細(xì)胞還能將設(shè)備的性能提高40%。

我們知道，人體為了在不同的情況下維持自身的功能，血液的流動(dòng)特性和血管內(nèi)的壓力都在不斷變化。因此，循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的任何可植入物都必須要承受這些生理反應(yīng)，同時(shí)保持穩(wěn)定的性能。為此，該國(guó)際研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用直徑0.12到0.15毫米的微流體通道模擬各種尺寸的血管，測(cè)試了納米生物超級(jí)電容器在不同流量和壓力條件下的行為。他們發(fā)現(xiàn)，納米生物超級(jí)電容器可以在不同生理相關(guān)條件下提供良好而穩(wěn)定的電力。這類(lèi)新的、極其靈活的、適應(yīng)性極強(qiáng)的微電子技術(shù)正在進(jìn)入生物系統(tǒng)的微型化世界，這非常令人鼓舞。

奧利弗·施密特教授領(lǐng)導(dǎo)了一種新型的微型超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)，這種電容器具有生物相容性

德國(guó)開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)奧利弗·施密特教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一種新型的扁平機(jī)器人，長(zhǎng)0.8毫米，寬0.8毫米，高0.14毫米，號(hào)稱(chēng)是“世界上最小的微型電子機(jī)器人”。兩根卷狀聚合物管子縱向穿過(guò)其兩側(cè)和頂部，吸入過(guò)氧化氫溶液使微型機(jī)器人浸入其中。這款微型機(jī)器人由一個(gè)外部發(fā)射器進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程操控，通過(guò)產(chǎn)生的雙噴射氣泡來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明，在接收到外部發(fā)射器發(fā)出的電信號(hào)后，位于機(jī)器人中央的感應(yīng)線圈會(huì)加熱卷狀聚合物管子，通過(guò)加大催化反應(yīng)的程度，增加氣泡量。大量氣泡從管子的后端噴出，產(chǎn)生的推力促使微型機(jī)器人在溶液中游動(dòng)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)還為機(jī)器人制作了一個(gè)“機(jī)械臂”，它實(shí)際上是一個(gè)由熱敏聚合物組成的裝置。隨著熱量的增加或減少，這個(gè)裝置會(huì)打開(kāi)或關(guān)閉，抓住微小的物體。此外，研究人員還在這個(gè)小小的機(jī)器人上安裝了一個(gè)小型的LED光源。不過(guò)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示，在微型電子機(jī)器人被應(yīng)用于人體內(nèi)靶向投遞藥物等之前，需要將其轉(zhuǎn)化為比過(guò)氧化氫更具有生物相容性的“燃料”，這是下一階段的研究方向。

微型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)工作示意圖